CN110346637A - 一种正弦波信息数字化提取的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正弦波信息数字化提取的方法及装置，该装置由一个包括信号提取电路，一个窗口比较器电路和一个波形转换电路组成。有益效果：本发明通过利用所述电路和单片机可以精确地测量出正弦波的过零点，同时准确获知过零点位于正弦波上升沿阶段或下降沿阶段，进而获知正弦波正、负半周阶段，从而为各种需要精准判断正弦波交流电过零点、过零点的上升、下降沿以及正弦波正、负半周信息，进而实现获取正弦波完整波形的电力电子装置提供必需的信息。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体来说，涉及一种正弦波信息数字化提取的方法及装置。
背景技术
在使用AC-AC模式的电机调速或调节功率输出的电力变换系统中，有相当部分的装置采用了整波通断的全软开关模式工作，该模式采用在正弦交流电电压过零时导通或关断，采用这种策略调节电机转速或调节输出功率大小，不仅开关管处于全软开关状态，开关管的损耗极小，重要的是，不会对电网产生谐波污染。但是，如何精准地判断交流电压的过零点，以及确定该过零点位于上升沿抑或下降沿，进而判断交流电压处于正弦波正或负半周，以便获取正弦波完整波形信号，是实现该控制方案的核心技术难点和要点。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出了一种正弦波信息数字化提取的方法及装置，其可以利用相关电路和单片机准确获取市电正弦波的过零点时刻、过零点位于正弦波上升沿或下降沿以及准确确定市电正弦波处于正、负半周等正弦波信息。
本发明的技术方案是这样实现的。本发明提供的一种正弦波信息数字化提取的装置，包括信号提取电路，窗口比较器电路，波形转换电路，其中信号提取电路外接市电输入正弦波信号，信号提取电路连接窗口比较器电路以及波形转换电路，窗口比较器电路连接单片机计算出市电正弦波的过零点；窗口比较器电路还连接波形转换电路，进而连接单片机获得过零点时刻位于上升沿或下降沿以及确定正弦波处于正、负半周等阶段的相应信息。
所述信号提取电路包括电源、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C3、电容C4、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、光耦OH1和光耦OH2，所述电阻R1与电容C1并联，一端与电源X端连接，另一端与光耦OH1的引脚1、光耦OH2的引脚2相连，所述电阻R2的一端和电源Y端连接，另一端与所述的光耦OH1的引脚2、光耦OH2的引脚1相连；所述电阻R3与电容C3并联，一端与光耦连接OH1的引脚3连接，还与三极管Q1的集电极连接，另一端与三极管Q1的发射极连接，所述三极管Q1的基极与所述光耦OH1的引脚4连接，所述电阻R4与电容C4并联，一端与光耦连接OH2的引脚4连接，还与三极管Q2的集电极连接，另一端与三极管Q2的发射极连接，所述三极管Q2的基极与所述光耦OH2的引脚3连接，所述光耦OH1的引脚3连接供电电压VCC，所述光耦OH2的引脚4接地，所述三极管Q1、Q2的发射极作为信号输出端ACV输出。
所述窗口比较器电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻9、电容C5、电容C7、电压比较器U5A、电压比较器U5B，所述电阻R5与电容C5并联，一端接地，一端与所述电压比较器U5A的引脚3连接，还与电阻R6串联后连接供电电压VCC，所述电阻R7与电容C7并联，一端接地，一端与所述电压比较器U5B的引脚6连接，还与电阻R8串联后连接供电电压VCC，输入信号端ACV与所述电压比较器U5A的引脚2连接，还与所述电压比较器U5B的引脚5连接，所述电压比较器U5A的引脚1、电压比较器U5B的引脚7作为输出端EUP。
所述波形转换电路包括与非门芯片U10、逻辑非门芯片U9A、逻辑非门芯片U9B、逻辑非门芯片U9C、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，电阻R14，输出端EUP串联所述电阻R10与逻辑非门芯片U9C的引脚5连接，逻辑非门芯片U9C的引脚6与所述与非门芯片U10的引脚12以及引脚2连接，输出端ACV串联电阻R12与逻辑非门芯片U9A的引脚1连接，逻辑非门芯片U9A的引脚2串联电阻R13与所述与非门芯片U10的引脚13连接，逻辑非门芯片U9A的引脚2还与逻辑非门芯片U9B的引脚3连接，逻辑非门芯片U9B的引脚4串联电阻R14与所述与非门芯片U10的引脚1连接，与非门芯片U10的引脚14连接供电电压VCC，与非门芯片U10的引脚7接地，与非门芯片U10的引脚4作为PUP输出，与非门芯片U10的引脚10作为PUN输出，逻辑非门芯片U9C的引脚6还做为信号输出端SYS与输出端PUP及输出端PUN都连接单片机。
根据本发明的另一个方面，提供了一种正弦波信息数字化提取的方法，具体步骤如下：
将市电正弦信号接入信号提取电路，当正半周信号进入时，光耦OH1的1、2脚之间的发光二极管导通，电容C3充电(放电)，输出端ACV输出高电平4.3V，当正弦信号负半周进入时，光耦OH2的1、2脚之间的发光二极管导通，电容C4放电，输出端ACV输出低电平0.7V。
输出端ACV输出信号进入窗口比较器电路，信号仅在大于1V、小于4V范围内，输出端EUP才输出高电平，其余情况均输出低电平。
所述信号提取电路输出端ACV信号，所述窗口比较器电路输出端EUP信号均接入所述波形转换电路，输出端EUP信号串联电阻R10与逻辑非门芯片U9C的引脚5连接，信号经过反相放大由逻辑非门芯片U9C的引脚6输出，连接单片机，进行市电过零检测；逻辑非门芯片U9C的引脚6输出信号还进入与非门芯片U10的2、12引脚。所述信号提取电路输出端ACV连接电阻R12与逻辑非门芯片U9A的引脚1连接，信号经过一次反相放大后由逻辑非门芯片U9A的引脚2输出，进入与非门芯片U10的13引脚，与所述与非门芯片U10的12引脚的信号进行逻辑运算，信号PUN由引脚10输出；逻辑非门芯片U9A的引脚2输出一次反转放大信号还输入逻辑非门芯片U9B的引脚3连接，信号经过二次反相放大由逻辑非门芯片U9B的引脚4输出，输入非门芯片U10的引脚1，与所述与非门芯片U10的2引脚的信号进行逻辑运算，信号PUP由引脚4输出。信号PUN、信号PUP进入单片机，进行正弦波正负半周、上升沿或下降沿等阶段的判定输出。
本发明的有益效果为：
本发明通过利用正弦波信息数字化提取的装置以及方法，从而获取了市电过零点、过零点位于上升或下降沿以及相应正弦波正、负半周等信息，优点在于：获取结果精准、抗干扰能力强、低功耗、成本低。进一步的，把这一优良的测量方法推广到其它需要测量正弦波过零点的电路以及其它需要判定正弦波正、负半周，正弦波上升、下降沿的电路中也获得了很高精度的测量结果，克服了现有相关技术所存在的上述技术难题，因此，应用领域极其广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1一种正弦波信息数字化提取的装置
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种正弦波信息数字化提取的装置，如图1所示，该装置由信号提取电路，窗口比较器电路，波形转换电路组成。
在一个实施例中，所述信号提取电路包括电源、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C3、电容C4、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、光耦OH1和光耦OH2，所述电阻R1与电容C1并联，一端与电源X端连接，另一端与光耦OH1的引脚1、光耦OH2的引脚2相连，所述电阻R2的一端和电源Y端连接，另一端与所述的光耦OH1的引脚2、光耦OH2的引脚1相连；所述电阻R3与电容C3并联，一端与光耦连接OH1的引脚3连接，还与三极管Q1的集电极连接，另一端与三极管Q1的发射极连接，所述三极管Q1的基极与所述光耦OH1的引脚4连接，所述电阻R4与电容C4并联，一端与光耦连接OH2的引脚4连接，还与三极管Q2的集电极连接，另一端与三极管Q2的发射极连接，所述三极管Q2的基极与所述光耦OH2的引脚3连接，所述光耦OH1的引脚3连接供电电压VCC，所述光耦OH2的引脚4接地，所述三极管Q1、Q2的发射极作为信号输出端ACV输出。
在一个实施例中，所述窗口比较器电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C5、电容C7、电压比较器U5A、电压比较器U5B，所述电阻R5与电容C5并联，一端接地，一端与所述电压比较器U5A的引脚3连接，还与电阻R6串联后连接供电电压VCC，所述电阻R7与电容C7并联，一端接地，一端与所述电压比较器U5B的引脚6连接，还与电阻R8串联后连接供电电压VCC，输入信号端ACV与所述电压比较器U5A的引脚2连接，还与所述电压比较器U5B的引脚5连接，所述电压比较器U5A的引脚1、电压比较器U5B的引脚7作为输出端EUP。
在一个实施例中，所述波形转换电路包括与非门芯片U10、逻辑非门芯片U9A、逻辑非门芯片U9B、逻辑非门芯片U9C、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，电阻R14，输出端EUP串联所述电阻R10与逻辑非门芯片U9C的引脚5连接，逻辑非门芯片U9C的引脚6与所述与非门芯片U10的引脚12以及引脚2连接，输出端ACV串联电阻R12与逻辑非门芯片U9A的引脚1连接，逻辑非门芯片U9A的引脚2串联电阻R13与所述与非门芯片U10的引脚13连接，逻辑非门芯片U9A的引脚2还与逻辑非门芯片U9B的引脚3连接，逻辑非门芯片U9B的引脚4串联电阻R14与所述与非门芯片U10的引脚1连接，与非门芯片U10的引脚14连接供电电压VCC，与非门芯片U10的引脚7接地，与非门芯片U10的引脚4作为PUP输出，与非门芯片U10的引脚10作为PUN输出，逻辑非门芯片U9C的引脚6还做为信号输出端SYS与输出端PUP及输出端PUN都连接单片机。
根据本发明的另一个方面，提供了一种正弦波信息数字化提取的方法，包括以下步骤：
步骤S101，将市电正弦信号接入信号提取电路，当正半周信号进入时，光耦OH1的1、2脚之间的发光二极管导通，电容C3充电，输出端ACV输出高电平4.3V，当正弦信号负半周进入时，光耦OH2的1、2脚之间的发光二极管导通，电容C4放电，输出端ACV输出低电平0.7V；
步骤S102，输出端ACV输出信号进入窗口比较器电路，信号仅在大于1V、小于4V范围内，输出端EUP才输出高电平，其余情况均输出低电平；
步骤S103，所述信号提取电路输出端ACV信号，所述窗口比较器电路输出端EUP信号均接入所述波形转换电路，输出端EUP信号串联电阻R10与逻辑非门芯片U9C的引脚5连接，信号经过反相放大由逻辑非门芯片U9C的引脚6输出信号SYS，连接单片机，进行市电过零检测；
步骤S104，通过调节所述电阻R1、电阻R2控制窗口时间在200μs～300μs之间，单片机内取计数时间间隔100μs，则第二个计数点即为市电过零点。
步骤S105，逻辑非门芯片U9C的引脚5输出信号还进入与非门芯片U10的2、12引脚。所述信号提取电路输出端ACV连接电阻R12与逻辑非门芯片U9A的引脚1连接，信号经过一次反转放大由逻辑非门芯片U9A的引脚2输出，进入与非门芯片U10的13引脚，与所述与非门芯片U10的12引脚的信号进行逻辑运算，信号PUN由引脚10输出；逻辑非门芯片U9A的引脚2输出一次反相放大信号还输入逻辑非门芯片U9B的引脚3连接，信号经过二次反相放大由逻辑非门芯片U9B的引脚4输出，输入非门芯片U10的1引脚，与所述与非门芯片U10的2引脚的信号进行逻辑运算，信号PUP由引脚4输出。
步骤S106，信号PUN、信号PUP进入单片机，当单片机首先获取所述PUN信号，则为正弦波上升沿阶段，此时两次过零点间隔为正弦波正半周阶段，反之，则为下降沿阶段进行，相应两次过零点间隔为正弦波负半周阶段。
本发明专利的核心在于，借助于本发明的上述电路及技术方案，可以精确地测量出正弦波的过零点，同时准确获知过零点位于正弦波上升沿阶段或下降沿阶段，进而获知正弦波正、负半周阶段，从而为各种需要精准判断正弦波交流电过零点、过零点的上升、下降沿以及正弦波正、负半周信息的电力电子装置提供必需的信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种正弦波信息数字化提取的装置，其特征在于，该装置由一个包括信号提取电路，一个窗口比较器电路和一个波形转换电路组成。
2.根据权利要求1所述的一种信号提取电路包括电源、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C3、电容C4、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、光耦OH1和光耦OH2，所述电阻R1与电容C1并联，一端与电源X端连接，另一端与光耦OH1的引脚1、光耦OH2的引脚2相连，所述电阻R2的一端和电源Y端连接，另一端与所述的光耦OH1的引脚2、光耦OH2的引脚1相连；所述电阻R3与电容C3并联，一端与光耦连接OH1的引脚3连接，还与三极管Q1的集电极连接，另一端与三极管Q1的发射极连接，所述三极管Q1的基极与所述光耦OH1的引脚4连接，所述电阻R4与电容C4并联，一端与光耦连接OH2的引脚4连接，还与三极管Q2的集电极连接，另一端与三极管Q2的发射极连接，所述三极管Q2的基极与所述光耦OH2的引脚3连接，所述光耦OH1的引脚3连接供电电压VCC，所述光耦OH2的引脚4接地，所述三极管Q1、Q2的发射极作为信号输出端ACV输出。
3.根据权利要求1所述的一种窗口比较器电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻9、电容C5、电容C7、电压比较器U5A、电压比较器U5B，所述电阻R5与电容C5并联，一端接地，一端与所述电压比较器U5A的引脚3连接，还与电阻R6串联后连接供电电压VCC，所述电阻R7与电容C7并联，一端接地，一端与所述电压比较器U5B的引脚6连接，还与电阻R8串联后连接供电电压VCC，输入信号端ACV与所述电压比较器U5A的引脚2连接，还与所述电压比较器U5B的引脚5连接，所述电压比较器U5A的引脚1、电压比较器U5B的引脚7作为输出端EUP。
4.根据权利要求1所述的一种波形转换电路包括与非门芯片U10、逻辑非门芯片U9A、逻辑非门芯片U9B、逻辑非门芯片U9C、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，电阻R14，输出端EUP串联所述电阻R10与逻辑非门芯片U9C的引脚5连接，逻辑非门芯片U9C的引脚6与所述与非门芯片U10的引脚12以及引脚2连接，输出端ACV串联电阻R12与逻辑非门芯片U9A的引脚1连接，逻辑非门芯片U9A的引脚2串联电阻R13与所述与非门芯片U10的引脚13连接，逻辑非门芯片U9A的引脚2还与逻辑非门芯片U9B的引脚3连接，逻辑非门芯片U9B的引脚4串联电阻R14与所述与非门芯片U10的引脚1连接，与非门芯片U10的引脚14连接供电电压VCC，与非门芯片U10的引脚7接地，与非门芯片U10的引脚4作为PUP输出，与非门芯片U10的引脚10作为PUN输出，逻辑非门芯片U9C的引脚6还做为信号输出端SYS与输出端PUP及输出端PUN都连接单片机。
5.一种正弦波信息数字化提取的方法，用于权利要求1所述的一种正弦波信息数字化提取的装置，其特征在于，包括以下步骤：
市电正弦信号接入所述信号提取电路，当正半周信号进入时，所述光耦OH1的1、2脚之间的发光二极管导通，电容C3充电，输出端ACV输出高电平4.3V，当正弦信号负半周进入时，光耦OH2的1、2脚之间的发光二极管导通，电容C4放电，输出端ACV输出低电平0.7V；
输出端ACV输出信号进入窗口比较器电路，信号仅在大于1V、小于4V范围内，输出端EUP才输出高电平，其余情况均输出低电平；
所述信号提取电路输出端ACV信号，所述窗口比较器电路输出端EUP信号均接入所述波形转换电路，输出端EUP信号串联电阻R10与逻辑非门芯片U9C的引脚5连接，信号经过反相放大由逻辑非门芯片U9C的引脚6输出信号SYS，连接单片机，进行市电过零检测；
逻辑非门芯片U9C的引脚5输出信号还进入与非门芯片U10的2、12引脚。所述信号提取电路输出端ACV连接电阻R12与逻辑非门芯片U9A的引脚1连接，信号经过一次反转放大由逻辑非门芯片U9A的引脚2输出，进入与非门芯片U10的13引脚，与所述与非门芯片U10的12引脚的信号进行逻辑运算，信号PUN由引脚10输出；逻辑非门芯片U9A的引脚2输出一次反相放大信号还输入逻辑非门芯片U9B的引脚3连接，信号经过二次反相放大由逻辑非门芯片U9B的引脚4输出，输入非门芯片U10的1引脚，与所述与非门芯片U10的2引脚的信号进行逻辑运算，信号PUP由引脚4输出。
6.根据权利要求5所述的一种正弦波信息数字化提取的方法，其特征在于，通过调节所述电阻R1、电阻R2控制窗口时间在200μs～300μs之间，单片机内取计数时间间隔100μs，则第二个计数点即为市电过零点。
7.根据权利要求5所述的一种正弦波信息数字化提取的方法，信号PUN、信号PUP进入单片机，当单片机首先获取所述PUN信号，则为正弦波上升沿阶段，此时两次过零点间隔为正弦波正半周阶段，反之，则为下降沿阶段进行，相应两次过零点间隔为正弦波负半周阶段。
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